Caractérisation du comportement thermo-viscoplastique d’un thermoplastique renforcé soumis à un chargement biaxial plan : application au formage incrémental à chaud

Characterization of the thermo-viscoplastic behavior of a reinforced thermoplastic subjected to in-plane biaxial loading : application to heat assisted incremental forming

• Auteur / Autrice : Joséphine Faddoul
• Direction : Lionel Léotoing, Pierre Rahme
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique
• Date : Soutenance le 06/12/2023
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Pour l'Ingénieur (Lorient ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie civil et génie mécanique (LGCGM)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadia Bahlouli, Abel Cherouat, Nadine Allanic, Khaled Khalil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadia Bahlouli, Abel Cherouat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Travail à chaud

Essais dynamiques

Fibres de verre

Polypropylène

Mots clés libres

Thermoplastiques renforcés

Chargement biaxial plan

Effet de la température et de la vitesse de déformation

Modélisation numérique

Caractérisation expérimentale

Mise en forme à chaud

Reinforced thermoplastics

In-plane biaxial loading

Temperature and strain rate dependence

Numerical modeling

Experimental characterization

Heat assisted forming

Résumé

Les thermoplastiques renforcés par des fibres présentent de bonnes propriétés mécaniques et une bonne aptitude à la recyclabilité. Néanmoins, la mise en forme de pièces complexes reste difficile. La mise en forme à chaud de ces matériaux est essentielle. La simulation par éléments finis des procédés est indispensable mais nécessite une caractérisation précise du matériau sous conditions réelles : chargement multiaxial avec grandes déformations, conditions variées de température et de vitesse de déformation. Les essais uniaxiaux classiques sont simples mais peuvent conduire à une caractérisation partielle du matériau sous chargement multiaxial. Les essais de traction biaxiale plane sur éprouvettes cruciformes permettent une caractérisation plus riche. Ce travail vise à caractériser le comportement mécanique d’un polypropylène renforcé de fibres de verre discontinues pour différentes températures et vitesses de déformation. Le modèle modifié de G’Sell et Jonas, associé au critère anisotrope de Hill48, est calibré à partir d’essais de traction uniaxiale pour diverses conditions de température (jusqu’à 120◦C) et de vitesse de déformation (jusqu’à 10 s−1). Les simulations numériques de l’essai biaxial, réalisées à partir d’un modèle de comportement calibré à partir des essais uniaxiaux, montrent un écart important avec les résultats expérimentaux. Il est donc nécessaire d’intégrer les résultats biaxiaux dans la procédure d’identification des paramètres rhéologiques du matériau, à partir d’une procédure d’analyse inverse. Finalement, les deux méthodes d’identification sont évaluées à partir de la prédiction des efforts de formage et de la forme finale d’une pièce formée par un procédé incrémental à chaud original.

Fiber reinforced thermoplastics offer good mechanical properties and the ability to be recycled. However, shaping complex parts remains challenging. Hot forming of these materials is crucial. Finite element simulation of processes is essential, but it requires accurate characterisation of materials under real conditions: multiaxial loading with large deformations, varying temperature, and strain rates. Conventional uniaxial tests are simple but may lead to partial material characterization under multiaxial loading. Inplane biaxial tensile tests on cruciform specimens allow for a more comprehensive characterization. This work aims to characterize the mechanical behavior of discontinuous glass fiber reinforced polypropylene at different temperatures and strain rates. The modified G’Sell and Jonas model, coupled with the anisotropic Hill48 criterion, is calibrated based on uniaxial tensile tests under various temperature conditions (up to 120◦C) and deformation speeds (up to 10 s−1). Numerical simulations of the biaxial test, carried out using a behavior model calibrated from uniaxial tests, show a significant disagreement with the experimental results. Therefore, it is necessary to integrate biaxial results into the material’s rheological parameter identification procedure through an inverse analysis process. Finally, both identification methods are evaluated based on the prediction of forming force and final geometry of a part formed using an original heat assisted forming process.